纳米多孔铜氧化物多尺度构建与力学性能耦合机理研究

Nanoporous copper oxides (Cu2O and CuO) with high specific surface show excellent performance in the fields of catalysts, sensors and Li-battery electrodes. In consideration of the easy oxidation and high gas absorption of nanoporous coppers, by taking advantage of thermal oxidation of metals to prepare metal oxides with low dimensional nanostrucutres, the multi-scale preparation of nanoporous copper oxides by thermal oxidaiton of nanoporous copper is proposed in this research project. The nanoporous coppers with three dimensional bicontinuous structures will be prepared by dealloying of Cu-Zn alloy precursors. The fabrication and dealloying processes of precursors and thermal oxidation process of nanoporous coppers will be adjusted. The phase compositions, surface and interface morphologies and microstructures of nanoporous copper oxides will be characterized accurately. The evolution behavior of microstructures and mechanical properties of nanoporous coppers and nanoporous copper oxides will be investigated. The thermal oxidation behavior of nanoporous coppers and the growth mechanism of nanoporous copper oxides with low dimensional nanostructures in nanoporous condition will be analyzed. The key materials and processes affecting the multi-scale structures and mechanical properties will be studied. The multi-scale preparation of nanoporous copper oxides will be established. The couping mechanism of microstructures and mechanical properties of multi-scale nanoporous copper oxides will be clarified. The research achievements will establish the basis for further research on the functional and structural integration of nanoporous copper oxides and suggest the possibility of multi-scale preparation of other metal oxides as well.

具有高比表面积的铜氧化物（氧化亚铜和氧化铜）在催化、传感、锂电池电极材料等领域有着显著的性能优势。针对纳米多孔铜容易氧化和高气体吸附的特点，借助金属热氧化方法生长金属氧化物低维纳米结构的优势，本项目提出通过热氧化纳米多孔铜实现纳米多孔铜氧化物的多尺度构建。脱合金前驱体Cu-Zn合金制备三维双连续纳米多孔铜，调控前驱体制备工艺、脱合金过程和纳米多孔铜热氧化工艺，精确表征纳米多孔铜氧化物的相成分及表/界面形貌等微观结构。考察纳米多孔铜及其氧化物微观结构与力学性能的演变规律，分析纳米多孔铜的热氧化行为及低维纳米铜氧化物在纳米多孔尺度下的生长机制。研究影响纳米多孔铜氧化物多尺度结构和力学性能的关键材料及工艺，建立纳米多孔铜氧化物多尺度结构的构建方法，阐明多尺度纳米多孔铜氧化物微观结构与力学性能的耦合机理。旨在为纳米多孔铜氧化物的功能结构一体化研究奠定基础，也为其他金属氧化物的多尺度构建提供新思路。

半导体铜氧化物CuxO(x=1,2)在催化传感等领域有重要的应用前景。脱合金制备的纳米多孔铜易氧化现象启发我们通过热氧化纳米多孔铜调控制备纳米多孔铜氧化物。铜热氧化还能够在铜氧化物表面生长氧化铜纳米线，从而实现纳米多孔铜氧化物的多尺度构建。三维双连续结构和高比表面积能够显著提升铜氧化物的催化传感性能，此时纳米多孔铜氧化物的结构完整性和力学性能显得尤为重要。为此，我们通过脱合金制备了一系列纳米多孔铜，作为热氧化制备纳米多孔铜氧化物的金属骨架。通过改变前驱体制备参数和脱合金条件获得了不同韧带/孔道尺寸的纳米多孔铜，研究了制备条件对纳米多孔铜氧化物微观形貌和力学性能的影响。掌握了纳米多孔铜氧化物的热氧化制备方法，制备了NP-Cu2O@Cu、NP-CuO/Cu2O@Cu、NP-CuO@Cu2O、NP-CuO等一系列纳米多孔铜氧化物，精确表征了纳米多孔铜氧化物的表界面微观结构，理解了热氧化过程中纳米多孔铜微观形貌的演变过程及规律，揭示了纳米多孔铜氧化物的微观结构对力学性能的影响规律和作用机制。纳米多孔铜的高表面活性降低了热氧化温度，在低于300℃实现了氧化铜纳米线在孔道内壁生长，构建了纳米多孔氧化铜-氧化铜纳米线复合结构。在240-270℃热氧化1-5h生长的氧化铜纳米线的直径范围在5-18nm，长度范围在20-300nm，生长方向主要有[-111]、[111]和[110]。随着铜氧化物含量不断增加，韧带尺寸及相成分、孔隙率等结构特征发生了相应变化，铜氧化物的硬度远高于铜，使得纳米多孔铜热氧化后的力学性能大幅提升。本研究工作为半导体金属氧化物的多尺度构建和结构功能一体化研究提供了思路。